4. Определение динамических качеств автомобиля при торможении

Тяговые и тормозные свойства автомобиля тесно связаны между собой. Чем больше средняя скорость движения, тем лучше должны быть тормозные свойства. Требуется определить максимальные тормозные свойства автомобиля, которые зависят от конструкции и технического состояния машины, тип и состояние дороги, действия водителя, атмосферные условия и т.п.

Действия всех факторов полно учитывается максимальным замедлением при торможении t_тор и тормозным путем S_тор .

Схема тормозного механизма и действующих сил

Р1 – сила которая прижимает колодки при торможении к тормозному барабану; Ртр – сила трения, которая возникает между колодками и барабанами при торможении, эта сила образует пару, плечо которой равно диаметру тормозного барабана; Р2 – сила создаваемая разжимным устройством; R – равнодействующая силы трения.

Между колесом и дорогой при торможении возникает тормозное усилие Р_тор , сила инерции Р_ј и появляется момент трения М_тр , который направлен в противоположную сторону вращения колеса, (создается фрикционными накладками за счет сил трения Р_тр).

Максимальная тормозная сила на одном колесе равна силе сцепления колеса с дорогой:

Ртор мах = ∙RZ RZ – нормальная реакция на колесе (опорная сила колеса и дороги);  - коэффициент сцепления колесо-дорога.

Уравнение тягового баланса при торможении имеет следующий вид:

Рј = Ртор + Р + РW .

При торможении Р_W стремится к нулю, тогда факторы замедления при торможении можно определить решением уравнения движения машины при торможении с отключенным двигателем от трансмиссии, в соответствии с выражением основных сил действующих при торможении:

Ртор + Р - Рј = 0

Если принять в расчет, максимальную тормозную силу при наличии тормозов на передних и задних колесах, то сила торможения определится как Р_{тор мах} = G∙; сила инерции движения определится как Р_ј = (G/g)∙ј_тор . Сопротивление движению по сравнению с тормозными силами мало, то максимальное замедление можно определить из выражения:

јтор= g∙

Время торможения до остановки находится при интегрировании уравнения замедления автомобиля:

tmор=Vн/(g где Vн – скорость автомобиля в момент начала торможения.

Путь торможения до остановки можно найти при интегрировании уравнения времени торможения:

Smор= Vн2/(2 g

Результаты вычислений (4.1),(4.2) и (4.3) занесены в таблицу 4.1.

Таблица 4.1 Тормозные свойства автомобиля.

Параметры	Начальная скорость торможения, м/с.
jтор
tтор
Sтор

По данным таблицы 4.1 строятся графики (j_тор – V); (t_тор – V); (S_тор – V).

Механическая безопасность транспортных средств для водителя и пассажиров определяется по различным методикам (краш-тестами).

Наиболее известны в мировой практике методики EuroNCAP, NHTSA, IIHS, NASVA, ANCAP, C-NCAP, нормы ЕСЕ R94.

EuroNCAP (European New Car Assessment Program) — это международное некоммерческое объединение, проводящее тестирование безопасности легковых автомобилей.

NHTSA (National Highway Traffic Safety Administration) — американская правительственная организация, служащая для обеспечения безопасности на дорогах.

IIHS (Insurance Institute for Highway Safety) — Американский институт дорожной безопасности.

NASVA (National Agency for Automotive Safety & Victims Aid) — японская национальная организация автомобильной безопасности и помощи жертвам ДТП.

ANCAP (Australian New Car Assessment Program) — Организация Australian NCAP проводит краш-тестирование автомобилей, использующихся в Австралии и Новой Зеландии.

C-NCAP — методика, разработанная Китайским автомобильным исследовательским центром (CATARC). По ней тестируются автомобили, выпущенные в Китае совместными предприятиями и китайскими национальными производителями.

ЕСЕ R94 — автомобильный технический стандарт Европейского союза.

Показатели и особенности их определения систематизированы в табл.

Сравнительная характеристика методов определения безопасности водителя и пассажиров транспортных средств

	EuroNCAP	NHTSA	IIHS	NASVA	ANCAP	C-NCAP	ЕСЕ R94
Фронтальный краш-тест
Недеформируемый барьер без перекрытия	Нет	56 км/ч	Нет	55 км/ч	Нет	Да
Деформируемый барьер 40%-ное перекрытие	64 км/ч	Нет	64 км/ч	Да	64 км/ч	Да	56 км/ч
Боковой краш-тест
Тележка	50 км/ч	Да	50 км/ч	55 км/ч	50 км/ч	Да	-
Столб	29 км/ч	Нет	Нет	Нет	Да	Нет	-
Имитация наезда на пешехода
"Обстрел" бампера, капота и лобового стекла муляжами головы	40 км/ч	Нет	Нет	35 км/ч	Да	Нет
Дополнительно
СНРБ (сигнализации о непристегнутых ремнях безопасности)	Да	Нет	Нет	Нет	Да	Нет
Безопасность детей	Да	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	-
Тест на переворот	Нет	Да	Нет	Нет	Нет	Нет	-
Наезд на столб задом	Нет	Нет	Да	Нет	Нет	Нет	-

Рассмотрим подробнее методику испытаний EuroNCAP.

Определение безопасности при фронтальном ударе (рис.) заключается в следующем.

Рис. Имитация фронтального столкновения (с деформируемым барьером на скорости 64 км/ч)

 Манекены располагаются на передних сиденьях (водитель и пассажир). Оба манекена пристегивают ремнями безопасности. Удар проводят о непрочный барьер, который перекрывает 40% передней части автомобиля. При ударе скорость автомобиля составляет 64 км/ч. На манекенах проверяют вероятность травмирования головы, шеи, грудной клетки и ног. Также оценивают повреждения и деформации автомобиля. По этим результатам дают оценку степени защиты пассажиров по 5-балльной шкале.

При 100-процентной защите максимальная оценка составляет 16 баллов за тест.

Определение степени безопасности при боковом ударе с барьером (рис.) Имеет следующие особенности.

Рис. Имитация бокового столкновения с барьером в зоне дверей на скорости 50 км/ч

Вагонетка шириной 1,5 м на скорости 50 км/ч ударяет неподвижный автомобиль в бок со стороны водителя. Передняя часть вагонетки имитирует переднюю часть обычного автомобиля. После удара на манекене водителя проверяют вероятность травмирования головы, грудной клетки, живота и таза. Результаты оценивают по 5-балльной шкале.

При 100-процентной защите максимальная оценка составляет 16 баллов за тест.

Определение безопасности при боковом ударе в столб проводится при движении автомобиля боком со скоростью 29 км/ч и столкновении с твердым столбом диаметром 254 мм (рис.). После удара проверяется вероятность травмирования водителя и пассажиров. Результаты оцениваются по балльной шкале.

Рис. Имитация бокового столкновения со столбом в районе центральной стойки на скорости 29 км/ч

Определение безопасности воздействия на пешехода проводится на скорости 40 км/ч (рис.). Анализируется вероятность и характер наносимых травм, по результатам проводится балльная оценка.

Рис. Имитация столкновения с пешеходом

При испытании учитываются рост, вес, возраст человека. Участки воздействия на тело человека определяются по этим трем параметрам.

Экологическая безопасность автомобилей обусловлена уровнем и характером вредного воздействия на окружающую среду.

Экологическая безопасность — свойство автомобиля, позволяющее уменьшить вред, наносимый участниками движения окружающей среде в процессе эксплуатации (СО и уровень шума).

Экологическая опасность автомобиля связана в первую очередь с отработавшими газами двигателя внутреннего сгорания. В крупных городах отработавшие газы являются основным источником загрязнения воздуха. Автомобиль за километр пробега выбрасывает в атмосферу около 100 г токсичных газов. Отработавшие газы содержат более 300 вредных соединений: оксид углерода СО, углеводороды СН, оксиды азота NOx, твердые частицы (сажа), оксиды серы, соли свинца. Среднесуточные предельно допустимее концентрации в-атмосфере (г/м3): СО — 0,0010, СН — 0,0015, NО2 — 0,000085.

Наибольший вред наносят оксид азота, оксид серы, сажа, альдегиды, оксид углерода, углеводороды, бенз(а)пирен, аммиак.

При сгорании бензола образуются полициклические ароматические углеводороды (наиболее активный бенз(а)пирен), которые обладают канцерогенными свойствами. Высокое содержание серы в автомобильных бензинах увеличивает выбросы оксидов серы, которые токсичны для человека, животного и растительного мира, разрушают конструкционные материалы.

Токсичность отработавших газов неэтилированных бензинов в основном определяется содержанием в них ароматических углеводородов.

ГОСТ 4.396-88 "Система показателей качества продукции. Автомобили легковые" содержит следующий перечень экологических показателей: содержание вредных веществ в отработавших газах бензиновых двигателей (%), дымность отработавших газов бензиновых двигателей (%), уровень внешнего шума (дБ(А).

Обязательные требования к выбросам легковых автомобилей содержатся в Техническом регламенте "О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории Российской Федерации, вредных (загрязняющих) веществ" (утв. постановлением Правительства РФ от 12 октября 2005 г. № 609).

В европейских странах принято более 100 правил в области экологической безопасности транспортных средств, в России они пока приняты неполностью.

Одной из причин появления токсичных примесей является неполное сгорание топлива в поршневых бензиновых двигателях. Это явление не позволяет уменьшить количество оксида углерода, углеводородов и окислов азота в отработавших газах до требуемого уровня. Состав отработавших газов двигателей внутреннего сгорания показан в табл. содержащаяся в отработавших газах дизельных двигателей, нетоксична, но ее частицы адсорбируют на поверхности канцерогенные полициклические углеводороды, в том числе бенз(α)пирен.

Факторы образования несгоревших остатков: гашение пламени в пристеночных зонах, в зазоре между поршнем и цилиндром, между поршневыми кольцами и канавками в поршне; неравномерность распределения состава смеси по объему цилиндра, особенно у непрогретого двигателя и на переходных режимах.

Компонент	Концентрация, % (по массе)		Степень и группа опасности
	бензиновый двигатель	дизельный двигатель
Азот	74-77	74-78	-
Кислород	0,3-8	2-18	-
Водяной пар	3-5,5	0,5-9	-
Диоксид углерода	5-12	1-12	Малотоксичен
Оксид углерода	0,5-12	0,005-0,4	Токсин
Оксиды азота	0,01-0,8	0,004-0,5	Токсин
Углеводороды	0,2-3,0	0,009-0,3	Токсин
Альдегиды	0-0,04	0,01-1,1	Токсин
Сажа, г/м3	0-0,04	0,01-1,1	Токсин
Бенз(а)пирен	0-20	0-1	Канцероген

Пути повышения экологической безопасности транспортных средств:

• Повышение топливной экономичности, улучшение смесеобразования и сгорания топлива в цилиндрах, более равномерное распределение топлива по цилиндрам, правильное дозирование, применение электронных и электромеханических систем впрыскивания, бесконтактных транзисторных систем зажигания, использование форкамерно-факельных процессов и послойного зажигания снижают СО.

• Периодическое техническое обслуживание и своевременный ремонт систем и агрегатов автомобиля, влияющих на расход топлива, определяют концентрацию токсичных примесей в отработавших газах.

• Разработка и внедрение систем нейтрализации отработавших газов. Нейтрализация токсичных компонентов отработавших газов с использованием химических реакций окисления и (или) восстановления является наиболее эффективным способом снижения токсичности. С этой целью в выпускную систему двигателя устанавливается термический реактор (нейтрализатор).

Без катализаторов полное преобразование оксида углерода и несгоревших углеводородов происходит при температурах от 700 до 850 °С при условии избытка кислорода. Нейтрализовать оксиды азота при этом невозможно, так как обязательным условием их восстановления является недостаток свободного кислорода.

В присутствии катализаторов температура нейтрализации снижается и создается возможность преобразования всех токсичных компонентов.

На основе экологической опасности транспортного средства определяется экологический класс.

Экологический класс — классификационный код, характеризующий транспортное средство в зависимости от уровня выбросов вредных загрязняющих веществ.

Эргономические свойства — удобство управления автомобилем, комфорт езды, комфортабельность салона.

Удобство управления автомобилем зависит от доступности элементов управления и легкости их использования, обзорности места водителя.

Элементы управления и систем контроля, которые водитель использует систематически, размещаются в непосредственной близости от водителя. Элементы, размещенные рядом с водителем, не должны отвлекать его и мешать свободе движений.

Легкость использования элементов управления зависит от усилия, которое водителю необходимо приложить для переключения рычагов управления (педалей, рычага переключения передач). Усилие не должно быть слишком сильным или слишком незначительным. При тяжелом переключении элементов управления водитель может не справиться с управлением или затратить много времени на переключение, при слишком легком — переключение может быть случайным или неверно заданным.

Обзорность — это конструктивное свойство транспортного средства, характеризующее объективную возможность и условия восприятия водителем визуальной информации, необходимой для безопасного и эффективного управления транспортным средством.

Обзорность места водителя зависит от конструкции кузова и правильности посадки водителя. Правильность посадки обеспечивается регулировкой посадочного кресла и рулевой колонки. Кресло водителя перемещается в горизонтальной и вертикальной плоскости (изменяется угол наклона спинки), рулевая колонка перемещается в горизонтальной плоскости (изменяется угол наклона).

Для удобства наблюдения и контроля за правильностью работы и работоспособностью агрегатов транспортного средства используется бортовой компьютер.

Бортовой компьютер дает информацию о режимах движения и неисправностях автомобиля, считывает коды в системе управления двигателем, обрабатывает информацию контроллера и отображает ее на дисплее, хранит в памяти и позволяет установить неисправности. Кроме того, компьютер показывает расход топлива: мгновенный (текущий) (л/ч), на 100 км пути (л/100 км), средний (л/100 км), общий (литров бензина после обнуления предыдущих показаний); остаток топлива в баке (л); скорость автомобиля: среднюю, максимальную (на последних 1000 м или за последнюю минуту движения); время разгона до скорости 100 км/ч (с); превышение скорости (звуковой сигнал); пробег; запас хода; текущее время и время поездки; календарь; температуру охлаждающей жидкости; температуру воздуха за бортом.

При перегреве двигателя и повышении температуры охлаждающей жидкости выше допустимой (105-115 °С) бортовой компьютер показывает температуру и дает предупреждающий сигнал.

Кроме того, компьютер показывает угол опережения зажигания (УОЗ), электронный тахометр показывает обороты двигателя (мин-1), массовый расход воздуха (кг/ч), время впрыска (мс), цикловой расход воздуха (кг/ч).

Комфорт езды характеризуют:

• плавность хода и вибрации;

• акустический комфорт (шумозащищенность);

- • микроклиматический комфорт салона (температура, скорость движения воздушного потока, влажность воздуха, газовый состав воздуха).

Плавность хода — это совокупность свойств, обеспечивающих ограничение вибронагруженности водителя, пассажиров, грузов, элементов шасси и кузова.

При движении автомобиля вибрации не должны вызывать неприятных ощущений и быстрой утомляемости водителя и пассажиров, а вибрации грузов, элементов шасси и кузова — их повреждений.

Основными источниками возникновения вынужденных колебаний являются взаимодействие колес с микропрофилем дороги; геометрическая и силовая неоднородность шин; неравномерность вращения колес.

Профиль дороги подразделяется на три составляющие — макропрофиль, микропрофиль и шероховатости, что обусловлено различным воздействием их на автомобиль.

Вертикальный макропрофиль, состоящий лишь из длинных плавных неровностей (длина волны 100 м и более), практически не вызывает колебаний автомобиля на подвеске, но заметно влияет на динамику автомобиля, режим работы двигателя и трансмиссии.

Микропрофиль состоит из вертикальных неровностей (длина волны от 10 см до 100 м), вызывающих заметные колебания автомобиля на подвеске, но не содержит длительных спусков и подъемов, изменяющих режим работы двигателя.

Шероховатости (длина волны менее 10 см) — это мелкие неровности структуры дорожной поверхности (длина волны менее 10 см), которые возбуждают высокочастотные вибрации отдельных элементов шасси и кузова и вызывают шумы внутри кузова и внешний шум, издаваемый автомобилем.

Водитель и пассажиры оценивают плавность хода субъективно — на основе собственных ощущений. Утомление вызывают ускорения колебаний и их повторяемость.

Плавность хода оценивается по частоте собственных колебаний кузова. Если частота колебаний совпадает со средней частотой шагов человека (60-90 шагов/мин, т. е. частотой 1—1,5 Гц), ход воспринимается как плавный.

Комплексно плавность хода характеризуется с учетом собственных, вынужденных случайных колебаний.

Показателями плавности хода являются уровни вибро-нагруженности водителя, пассажиров, грузов и характерных элементов шасси и кузова.

Оценка уровня вибро-нагруженности производится по средним квадратическим значениям ускорений колебаний (виброускорений) или скоростей колебаний (виброскоростей) в вертикальном и горизонтальном направлениях, связанным со средним квадратическим значением скорости.

На плавность хода оказывают влияние колебания колес и жестко связанных с ними элементов. При проектировании амортизаторов учитываются следующие требования: не должно быть жестких ударов, пробоя подвески; изменения нормальных динамических реакций между контактной поверхностью колеса и опорной поверхностью дороги (стабильность контакта) должны быть ограничены.